欧洲引领「量子-HPC」集成：创新、挑战与未来展望|ibm|欧洲|算法|量子-hpc|量子计算机

量子计算机在解决某些经典超级计算机无法解决的科学和产业问题方面具有巨大潜力。为了利用这一优势，世界各地的HPC中心都在寻找将量子加速器集成到其计算基础设施中的方法。

携手超级计算机为量子计算提供现场解决方案的能力，对于欧洲尖端高科技解决方案的开发至关重要。从2022年，德国超算中心首次部署量子计算机，将量子系统首次与HPC（高性能计算）系统结合，使HPC应用的量子加速成为现实。到现在，欧洲已有多处量子+HPC集成中心。

近日，在德国汉堡举行的ISC 2024会议中，ISC专家小组以“Quantum Advantage — Where are We and What is Needed? ”（量子优势——我们处在什么阶段，我们需要什么）为主题进行了讨论，讨论内容包括量子系统在EuroHPC中心的集成、基准测试开发、NISQ时代的混合量子-HPC应用、误差校正及统一软件栈的重要性等。

这次圆桌讨论包括：德国于利希超级计算中心（JSC）负责人兼高级仿真研究所所长Thomas Lippert；Laura Schulz，德国莱布尼茨超级计算中心量子计算和技术代理负责人；Stefano Mensa，英国STFC Hartree中心高级计算和新兴技术小组负责人；Sabrina Maniscalco，芬兰Algorithmiq公司首席执行官兼联合创始人。Heike Riel，IBM苏黎世研究中心科学家、IBM Fellow、科技主管兼IBM欧洲量子研究中心负责人担任主持人。

从左到右分别是Algorithmiq公司首席执行官兼联合创始人Sabrina Maniscalco、STFC Hartree中心高级计算和新兴技术小组负责人 Stefano Mensa、Jülich超级计算中心(JSC)负责人兼高级仿真研究所所长Thomas Lippert；劳拉·舒尔茨(Laura Schulz)，莱布尼茨超级计算中心量子计算和技术负责人。

与会者预测未来五年内欧洲在这一领域将取得重大进展。但整体而言，量子优势的实现不会很快。

欧洲动员量子HPC集成：在整个欧洲提供流畅的用户体验

量子计算和HPC都有其独特的优势，它们之间的结合将产生革命性的计算能力。首先，量子计算的并行计算和指数级加速能力可以为HPC系统带来更快的计算速度和更高的效率。在某些特定的问题上，量子计算机可以提供超过传统HPC的计算能力，从而推动科学研究和工程领域的突破。其次，HPC系统可以为量子计算提供更稳定和可靠的计算环境。通过优化系统结构和算法设计，HPC可以克服量子计算机的不稳定性和干扰问题，提升量子计算的实际运算能力。

2021年，欧洲领先的量子计算公司IQM领导了一个价值4010万欧元的项目Q-Exa，该项目由德国联邦教育和研究部（BMBF）出资。由IQM提供的量子计算系统，被集成到德国的HPC（高性能计算）超级计算机中，为未来的科学研究创造一个加速器。这个由量子物理和计算机科学、研究中心和行业专家组成的高度跨学科联盟通过研究采购，将IQM提供的量子计算系统集成到HPC环境中。这将是基于门的量子系统首次与HPC系统结合，使HPC应用的量子加速成为现实。Q-Exa项目的主要目标是建立此类解决方案，从而加强德国量子技术的应用。

2023年9月，德国联邦教育和研究部 (BMBF) 报告了“欧洲百万兆级 HPC 量子计算”（Euro-Q-Exa）的启动情况。该研究项目的目的是将量子计算机集成到现有的超级计算机和莱布尼茨超级计算中心（LRZ）的高性能计算（HPC）中。

2024年5月，英伟达（NVIDIA）加速布局量子计算，并详细介绍了其芯片如何加速HPC行业的创新，特别是对于由人工智能（AI）驱动的系统，这些系统将通过超级计算推动科学进步。这家芯片制造商还宣布了在全球国家量子计算中心加速其量子计算工作的计划，其中包括在国际各地安装其开源CUDA-Q平台。该平台是其在量子计算领域的关键组成部分，它将量子处理单元（QPUs）与超级计算机紧密结合，以实现更高效的量子计算。这种混合量子-经典加速超级计算的方法，不仅能够解决量子比特的噪声问题，还能开发出更高效的算法，这对于推动量子计算的实际应用至关重要。

讨论中，Laura Schulz说：“我们在慕尼黑量子谷（ MQV ）的工作之所以如此重要，是因为在欧洲层面上，我们有EuroHPC联合计划。我们有六个量子系统将被安置在欧洲范围内的托管中心，每个系统都有不同的模式，我们都必须进行集成。我们必须在欧洲层面考虑如何将这些系统整合在一起。我们不想要多个调度程序，也不希望多种解决方案相互冲突。我们希望尝试找到合理的统一，并能够提升用户体验，使其在欧洲范围内使用更加流畅。”

“我们的想法是连接所有这些 EuroHPC JU系统，并使它们广泛应用于学术界和工业界。例如，LRZ和JSC已经或即将在其设施中部署多台量子计算机”（见下图）。

Lippert强调了如何实现量子优势也是重要的问题。量子计算机能比传统计算机更快解决实际问题，Lippert认为量子和HPC混合系统的发展是实现这一优势的关键，包括模拟、优化和机器学习算法。为了构建这种系统，需要开发模块化的超级计算架构，并创建一个供应商中立的公共量子计算机用户基础设施，该设施将集成到现有的超级计算机中，提供用户友好且经过同行评审的访问方式。

“我们的使命是建立一个与供应商无关的综合公共量子计算机用户基础设施，集成到我们的超级计算机模块化复合体中。它是一种用户友好且经过同行评审的访问方式。就像我们对超级计算所做的那样。”Lippert 总结道。

软件栈的创新：API、SDK与集成挑战

一旦系统可以物理安装和支持，就应该关注软件栈。

应用编程接口（API）和软件开发工具包（SDK）对于开发人员将量子计算功能集成到现有应用中至关重要。这些应用程序接口和软件开发工具包应该功能强大、文档齐全，最好还能实现标准化，以确保量子计算机能够轻松“即插即用”到现有软件环境中。

Schulz探讨了由LRZ及其合作伙伴共同开发的软件堆栈，这包括协同调度和资源管理等传统组件，并考虑了分类加速等要素。她强调了开发量子编译器的重要性，并介绍了一个强大的工具包，其中包含调试器、优化器等组件，这些都是与生态系统合作伙伴共同构建的。此外，她还提到了 QBMI（量子后端管理器接口），这是将量子系统集成到整个框架中的关键接口。

Schulz指出，这些工作是技术演进的一部分，LRZ已经积极开发了两年，并开始看到成果。在量子集成中心（QIC），他们已经能够从HPC环境出发，利用慕尼黑量子软件堆栈，实现对HPC系统上的访问节点的访问，并调用量子系统。这些系统已经在本地部署并与现有软件堆栈集成，表明他们在量子与HPC集成方面取得了显著进展。

为协调一致的基准测试努力

英国Hartree的Stefano Mensa专注于量子计算的基准测试问题。目前，尽管有许多基准测试的努力，但缺乏广泛认可的标准。量子社区主要讨论两类基准：系统基准（评估系统的基础属性如保真度、速度和连接性）和应用基准（关注解决方案的时间、量子资源需求和准确性）。

Mensa认为需要协调一致的基准测试努力，并提出以SPEC模型为参考，强调HPC SPEC联盟作为一个非营利组织在建立和维护标准化基准方面的作用。他对Top500指标的有效性持保留态度，认为它并不代表当前的实际工作负载，用比喻说明，就像知道汽车可以达到的速度，但在实际驾驶中并不会这么做。其他专家，如Lippert和Schulz，也指出Top500的Linpack基准至少能证明系统能够正确启动和运行，但他们也提到，在评估先进系统采购时，并不将Top500分数作为主要标准。

在量子计算领域，基准测试方法多样，目前看来将继续保持多套独立的基准测试方案。业界普遍认为，鉴于量子技术的快速发展，现在确定统一的固定基准标准还为时尚早。特别是对于结合了量子计算和HPC的系统，基准测试更加复杂，行业更倾向于使用一系列基准来评估性能，而不是单一指标。

Maniscalco提出了两个用例，展示了通过使用经典计算来减少错误来结合量子和HPC资源的能力。她的公司Algorithmic正在开发用于生物科学的算法。她提供了Algorithmic开发的一项技术的快照，该技术该技术通过在经典系统中使用张量网络方法进行后处理，以减少量子计算机的错误。

Maniscalco强调，尽管HPC和量子计算机通常被视为竞争对手，但将两者结合起来非常重要。IBM提出的以量子为中心的超级计算理念对Algorithmic来说非常重要，他们专注于量子计算机和HPC之间的接口。他们开发的技术可以优化从量子计算机中提取信息的效率，减少总体的计算时间，并允许进行后处理，这对于量子计算的实际应用至关重要。